포스텍의 박선아 화학과 교수팀이 류순민, 심지훈 교수와 함께 공동 연구를 통해 새로운 나노클러스터 기반 구조체를 성공적으로 합성하고, 그 구조에 따라 발광 특성이 달라지는 원리를 규명했습니다. 이들은 특히 원자 수준에서 정밀하게 설계된 나노클러스터의 크기와 구조, 조성을 조절하여 가시광선에서 근적외선까지 다양한 영역에서의 발광 특성을 조절할 수 있는 방법을 개발했습니다. 이번 연구에서는 카르복실산이 포함된 보호 리간드와 전이 금속 간의 상호작용을 이용하여 육각형(Au25-Zn-Hex)과 막대형(Au25-Zn-Rod) 두 가지 형태의 나노클러스터 배열을 성공적으로 합성했습니다. 단결정 X-선 회절 실험을 통해 이 두 구조의 원자 수준에서의 정확한 구조를 규명하고, 각 구조에서 나타나는 상호작용의 차이가 발광 특성에 미치는 영향을 비교 분석했습니다.

막대형 구조에서는 육각형 구조보다 6배 높은 발광 성능과 27배 긴 빛 지속 시간을 보였으며, 밀도 범함수 이론 계산을 통해 막대형 구조에서 나노클러스터 간 거리가 짧아지면서 상호작용이 강화되고, 그에 따라 엑시톤 비편재화로 인해 더 효율적인 발광이 나타남을 증명했습니다. 이러한 결과는 나노클러스터의 발광 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시함으로써, 근적외선 영역에서 발광하는 나노클러스터의 양자 수율을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이번 연구는 나노클러스터 기반의 새로운 광학 소자 개발 뿐만 아니라, 생체 적합성과 광안정성이 뛰어난 나노클러스터를 이용한 바이오 이미징, 센서, 광전자 소자 등의 다양한 분야에서의 응용 가능성을 한층 더 확장시킬 것으로 전망됩니다. 이 연구는 한국 연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 그 결과는 최근 나노 분야의 국제 학술지 'ACS 나노'에 게재됐습니다.

발췌: 전자신문